(57)【要約】【課題】化学励起酸素―沃素レーザ用励起酸素発生装置の塩基性過酸化水素溶液の組成を制御して、高い反応効率で連続的に長時間安定して励起酸素を発生する。【解決手段】過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合した塩基性過酸化水素溶液を循環させる。励起酸素発生部３で、多数のジェットノズルを穿孔したノズルプレートのジェットノズルから、塩基性過酸化水素溶液を、シャワー状に噴出させながら塩素ガスと反応させて、励起酸素を発生する。反応により析出したアルカリ金属塩化物を、フィルタ10,11で濾過する。塩素ガスとの反応によって消耗したアルカリ分を、アルカリ水溶液供給路12から補給する。過酸化水素を、過酸化水素水溶液供給路13から補給する。塩基性過酸化水素溶液の組成を最適値に維持することで、高い反応効率を維持できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合した塩基性過酸化水素溶液を循環させる手段と、多数のジェットノズルを穿孔したノズルプレートのジェットノズルからシャワー状に噴出させながら塩素ガスと反応させて励起酸素を発生する励起酸素発生部と、前記塩基性過酸化水素溶液を冷却する熱交換器と、反応により析出したアルカリ金属塩化物を濾過するフィルタとを具備する励起酸素発生装置において、前記塩基性過酸化水素溶液中のアルカリ濃度を20wt%以上に維持するように前記アルカリ水溶液を補給するアルカリ補給手段を備えたことを特徴とする化学励起酸素−沃素レーザ装置用励起酸素発生装置。
【請求項２】
前記アルカリ補給手段を、前記熱交換器の上流側に設けたことを特徴とする請求項１記載の化学励起酸素−沃素レーザ装置用励起酸素発生装置。
【請求項３】
前記塩基性過酸化水素溶液中の過酸化水素濃度を10wt%以上に維持するように前記過酸化水素水を補給する過酸化水素補給手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の化学励起酸素−沃素レーザ装置用励起酸素発生装置。
【請求項４】
過酸化水素補給手段を、前記熱交換器の上流側に設けたことを特徴とする請求項３記載の化学励起酸素−沃素レーザ装置用励起酸素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学励起酸素‐沃素レーザ装置用励起酸素発生装置に関し、特に、化学反応により生成した励起酸素から、エネルギー移乗により励起沃素とし、これからレーザ光線を発生させる化学励起酸素−沃素レーザ装置に用いる励起酸素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学励起酸素−沃素レーザ装置において、励起酸素を発生する方法として、塩基性過酸化水素溶液（以下、BHP溶液という）中に塩素ガスをバブリングして反応させる方法が知られている。また、鉛直方向に多数配列した円盤の下部をBHP溶液に浸して、円盤を回転させながら、塩素ガスを吹き込んで、円盤の表面に付着したBHP溶液と反応させる方法も知られている。この他に、特許文献１に開示されているように、多数のジェットノズルを穿孔したノズルプレートにより、BHP溶液をシャワー状に噴出させながら、塩素ガスを吹き込んで反応させる方法も知られている。この方法は、BHP溶液の単位体積当たりの反応表面積が大きいので、最も実用的な方法の一つである。
【０００３】
従来のノズルプレートを用いた励起酸素発生装置を、図２を参照しながら説明する。励起酸素発生部３には、多数の小孔を穿孔してジェットノズルとしたノズルプレート２がある。このノズルプレート２からシャワー状に噴出されたBHP溶液と塩素ガスとを反応させて、励起酸素を発生する。生成された励起酸素を、ダクト９で移送する。BHP溶液は、BHP溶液タンク４に貯留されている。BHP溶液タンク４に貯留されたBHP溶液を、循環ポンプ５により、循環流路６を循環させてノズルプレート２に供給する。
【０００４】
塩素供給路１から、励起酸素発生部３に塩素ガスを供給する。循環流路６の途中に設けられた反応熱冷却用熱交換器８で、反応により温度上昇したBHP溶液を、冷媒流路７を経て供給される冷却用冷媒と熱交換して冷却する。このノズルプレートを用いた励起酸素発生装置においては、BHP溶液を循環させて、繰り返し塩素ガスと反応させる。反応式
Ｈ2Ｏ2＋２ＭＯＨ＋Ｃl2→Ｏ2(1Δ)＋２ＭＣl＋２Ｈ2Ｏ
のとおり、励起酸素（Ｏ2(1Δ)）を発生し、過酸化水素とアルカリを消耗して、アルカリ金属塩化物（２ＭＣl）を生成する。これを除去するため、例えば特許文献３に開示されているように、フィルタ10、11を用いる。なお、上記式において、Ｍはアルカリ金属を示している。以下に、励起酸素を発生する方法に関する従来技術の例をいくつかあげる。
【０００５】
特許文献１に開示された「励起酸素発生器」は、ジェット型励起酸素発生器において、化学励起酸素よう素レーザ装置（COIL）のガスの超音速化、装置のコンパクト化に対応するために、酸素発生器内の圧力を高く保持し、かつ高励起率の励起酸素発生を図るものである。酸素発生室内のアルカリ性過酸化水素水溶液を、ノズルプレートに設けられた多数のジェットノズルから噴出する。この液に塩素ガスを接触反応させて励起酸素を発生させる。気液接触面積Ｓ／酸素発生室内容積Ｖの値σが、σ＞３〔１／cm〕になるようにジェットノズルを配列する。
【０００６】
特許文献２に開示された「気液反応装置」は、溶液を複数のノズルから吹き出してジェット流を形成し、これと横断するガス気流と反応させる気液反応装置である。ヨウ素レーザ発生装置に用いる電子励起状態酸素を、アルカリ性過酸化水素溶液と塩素ガスを、ジェット式気液反応で反応させて発生する。溶液物性とノズル径に基づいて、溶液物性とノズル径とジェット流速度で表現される調整係数を調整する。ガス気流が強い部分におけるジェット流の形状を滑らかな円筒状にして、ガス流に伴うミストを減少させる。製品ガスに含まれる水分を抑えることができる。
【０００７】
特許文献３で本出願人が提案した「化学励起酸素−沃素レーザ装置用励起酸素発生装置」は、励起酸素発生装置のノズルプレートにおけるアルカリ金属塩化物による閉塞を防止して、連続的に安定に励起酸素を発生する装置である。過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合した塩基性過酸化水素溶液を、循環ポンプで循環させる。励起酸素発生部で、多数のジェットノズルを穿孔したノズルプレートのジェットノズルからシャワー状に噴出させながら、塩素ガスと反応させて励起酸素を発生する。反応により温度上昇した塩基性過酸化水素溶液を、熱交換器で冷却する。熱交換器における冷却により析出したアルカリ金属塩化物を、フィルタで濾過する。塩基性過酸化水素溶液の温度を、過酸化水素水またはアルカリ水溶液を注入して上昇させる手段を、ノズルプレートの上流側に設ける。ジェットノズルに架橋したアルカリ金属塩化物を、この熱で溶解させる。
【特許文献１】特開平7-254740号公報
【特許文献２】特開平11-197499号公報
【特許文献３】特願2004-164378号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の技術では、以下のような問題がある。BHP溶液と塩素ガスとの反応が進むに従って、循環しているBHP溶液中の過酸化水素とアルカリを消耗するので、
反応効率＝（生成した酸素のモル数／投入した塩素のモル数）×100（％）
で定義される反応効率が低下する。
【０００９】
化学励起酸素‐沃素レーザでは、高出力化と、装置のコンパクト化と、塩素ガスやBHP溶液のロス防止など効率の向上と、長時間の安定発振が要望されている。それらすべてに影響を与える反応効率の向上は、極めて重要な因子である。反応効率は、ジェットプレートのノズル径とその個数、反応室の大きさ、BHPの循環量、BHP組成等により決まる。反応効率を上げるため、運転の操作変数として、BHP循環量を増加する方法もあるが、能力に限りがあるため、短時間の応急対応に限定される。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、化学励起酸素‐沃素レーザ装置用励起酸素発生装置において、高い反応効率を維持しながら、長時間の安定なレーザ発振を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明では、過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合した塩基性過酸化水素溶液を循環させる手段と、多数のジェットノズルを穿孔したノズルプレートのジェットノズルからシャワー状に噴出させながら塩素ガスと反応させて励起酸素を発生する励起酸素発生部と、塩基性過酸化水素溶液を冷却する熱交換器と、反応により析出したアルカリ金属塩化物を濾過するフィルタとを具備する励起酸素発生装置に、塩基性過酸化水素溶液中のアルカリ濃度を20wt%以上に維持するようにアルカリ水溶液を補給するアルカリ補給手段を備えた構成とした。
【００１２】
これに加えて、塩基性過酸化水素溶液中の過酸化水素濃度を10wt%以上に維持するように過酸化水素水を補給する過酸化水素補給手段を備えた。アルカリ水溶液及び過酸化水素水溶液の補給は、どちらもBHP溶液と反応して発熱するので、熱交換器上流が好ましい。また、同時の補給は、両者が激しく反応するので、避けるほうが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように構成したことにより、反応効率90％以上の高い反応効率を維持しながら、長時間の安定なレーザ発振ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例は、過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合したBHP溶液を循環させて、BHP溶液中のアルカリ濃度が20wt%以上となるようにアルカリ水溶液を補給し、BHP溶液中の過酸化水素濃度が10wt%以上となるように過酸化水素水溶液を補給して、多数のジェットノズルを、穿孔したノズルプレートのジェットノズルからシャワー状に噴出させながら、塩素ガスと反応させて励起酸素を発生する励起酸素発生装置である。
【００１６】
図１は、本発明の実施例における励起酸素発生装置の概要図である。この励起酸素発生装置は、化学励起酸素−沃素レーザ装置に使用するものである。図１において、塩素供給ライン１は、塩素を供給するラインである。ノズルプレート２は、多数の小孔を穿孔してジェットノズルとしたノズルプレートである。ノズルプレート２には、縦80mm、横390mm、厚さ５mmのステンレス鋼板に、直径0.7mmの小孔を7,500個穿孔して、ジェットノズルとしたものを使用する。励起酸素発生部３は、ノズルプレート２のジェットノズルからシャワー状に噴出されたBHP溶液と塩素ガスとを反応させて励起酸素を発生する手段である。励起酸素発生部３には、BHP溶液を供給する循環流路６の他に、塩素ガスを供給する塩素ガス供給路１と、生成された励起酸素を移送するダクト９とを備えている。
【００１７】
BHP溶液タンク４は、BHP溶液を貯留するタンクである。BHP溶液循環ポンプ５は、BHP溶液タンク４に貯留されたBHP溶液を循環させるポンプである。
BHP溶液循環路６は、BHP溶液タンク４に貯留されたBHP溶液を、循環ポンプ５によって、反応熱冷却用熱交換器８およびフィルタ10、11を経て、ノズルプレート２に供給する経路である。冷却用冷媒供給路７は、反応熱冷却用熱交換器８で熱交換を行うための冷媒の冷媒流路である。反応熱除去用熱交換器８は、反応熱を除去する熱交換器である。励起酸素移送ダクト９は、励起酸素を取り出すダクトである。フィルタ10,11は、生成されるアルカリ金属塩化物を除去するフィルタである。アルカリ水溶液供給路12は、アルカリ水溶液を供給する経路である。過酸化水素水溶液供給路13は、過酸化水素水溶液を供給する経路である。
【００１８】
上記のように構成された本発明の実施例における励起酸素発生装置の動作を説明する。BHP溶液は、48wt%のKOH水溶液と45wt%の過酸化水素水溶液を等溶量混合して作成し、初期のKOH濃度は29wt%、過酸化水素濃度は20wt%である。循環ポンプ５によって、BHP溶液タンク４に貯留されているBHP溶液を、24kl/hrの流量で循環させ、熱交換器８によって、BHP溶液を−18℃に冷却する。励起酸素発生部３へ、塩素ガスを流量10mol/minで吹き込んで反応させる。フィルタ10、11を交互に切り替えて、ＫＣl（塩化カリウム）を除去しながら動作させる。104分後に、反応効率が90％を下回る。この時、ＫＯＨ濃度は、20wt%である。
【００１９】
供給路12を経て、アルカリ水溶液（濃度48％のＫＯＨ）を、短時間に30リットル注入して、ＫＯＨ濃度を21wt%にする。反応効率は90％以上に回復する。その後15分間、反応効率は90％以上である。なお、本実施例ではＫＯＨを短時間に入れたが、少量ずつ連続的に注入しても同じ効果が得られる。また、供給路13を経て、過酸化水素水溶液を注入し、過酸化水素濃度を10wt%以上に保てば、長時間運転することができる。
【００２０】
上記のように、本発明の実施例では、励起酸素発生装置を、過酸化水素水とアルカリ水溶液とを混合したBHP溶液を循環させて、BHP溶液中のアルカリ濃度が20wt%以上となるようにアルカリ水溶液を補給し、BHP溶液中の過酸化水素濃度が10wt%以上となるように過酸化水素水溶液を補給して、多数のジェットノズルを、穿孔したノズルプレートのジェットノズルからシャワー状に噴出させながら、塩素ガスと反応させて励起酸素を発生する構成としたので、高い反応効率を維持しながら長時間の安定発振ができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の励起酸素発生装置は、化学励起酸素‐沃素レーザ装置用の励起酸素発生装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例における励起酸素発生装置の構成の概要を示す図である。
【図２】従来の励起酸素発生装置の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  塩素供給ライン
２  ノズルプレート
３  励起酸素発生部
４  BHP溶液タンク
５  BHP溶液循環ポンプ
６  BHP溶液循環路
７  冷却用冷媒供給路
８  反応熱除去用熱交換器
９  励起酸素移送ダクト
10,11  フィルタ
12  アルカリ水溶液供給路
13  過酸化水素水溶液供給路
【図１】
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【図２】
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